DE102005027836B4 - Apparatus for laser beam cutting - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden, bei der ein Laserstrahl zweidimensional relativ in Bezug zu einer Oberfläche eines Werkstückes (10) bewegbar ist und gemeinsam mit einem Schneidgas durch eine Düsenöffnung einer Düse (7) auf das Werkstück (10) gerichtet ist; dabei der Laserstrahl (2) mittels mindestens eines Umlenkelementes (3, 4, 5) um mindestens eine Achse verschwenkbar ist und außerdem die um eine senkrecht zur Werkstückebene ausgerichtete Achse drehbare Düse (7) mit als Längsschlitz, Kreuzschlitz oder ellipsenförmig ausgebildeter Düsenöffnung so gestaltet und dimensioniert ist, dass eine Verschwenkung des Laserstrahls (2) um mindestens 10° in Bezug zu einer senkrecht zur Werkstückebene ausgerichteten Achse auf der Werkstückoberfläche und/oder eine zusätzliche Auslenkung des Laserstrahls durch Verschwenkung um mindestens 3 mm am Werkstück erreichbar ist.contraption for laser beam cutting, in which a laser beam is two-dimensional relative to a surface a workpiece (10) is movable and together with a cutting gas through a Nozzle opening one Nozzle (7) on the workpiece (10) is addressed; while the laser beam (2) by means of at least a deflecting element (3, 4, 5) pivotable about at least one axis is and besides the one vertical to the workpiece plane aligned axis rotatable nozzle (7) with as longitudinal slot, Phillips or elliptical trained nozzle opening so designed and dimensioned is that a pivoting of the laser beam (2) at least 10 ° in Reference to an axis aligned perpendicular to the workpiece plane on the workpiece surface and / or an additional Deflection of the laser beam by pivoting by at least 3 mm reachable on the workpiece is.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden, bei der ein Laserstrahl zweidimensional relativ im Bezug zu einer Oberfläche eines Werkstückes bewegbar ist, so dass unterschiedlichste Konturen aus einem Werkstück ausgeschnitten werden können.The The invention relates to a device for laser beam cutting, in the laser beam is two-dimensionally movable relative to a surface of a workpiece is, so that different contours are cut out of a workpiece can.

Dabei wird ein Laserstrahl üblicherweise durch eine Düse mit einer entsprechenden Düsenöffnung auf die jeweilige Oberfläche des Werkstückes, gemeinsam mit einem Schneidgasstrom gerichtet, und so geschmolzener Werkstoff des Werkstückes aus der Schneidfuge entfernt.there a laser beam is usually through a nozzle with a corresponding nozzle opening the respective surface of the workpiece, together directed with a cutting gas stream, and so molten material of the workpiece the cutting joint removed.

Die Relativbewegung des Laserstrahles wird dabei üblicherweise durch zusätzliche Antriebe erreicht, wobei in der Regel ein so genannter Laserbearbeitungs kopf, in dem für eine Strahlumlenkung und ggf. auch Strahlformung geeignete Elemente aufgenommen sind, in zwei Linearachsen in Bezug zur Oberfläche des Werkstückes bewegt wird. Dabei kann ein Werkstück stationär angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit allein oder zusätzlich das Werkstück zu bewegen, wobei häufig eine einachsige translatorische Werkstückbewegung bevorzugt ist.The Relative movement of the laser beam is usually by additional Drives, whereby a so-called laser processing head, as a rule, in the for a beam deflection and possibly also beam shaping suitable elements are recorded in two linear axes with respect to the surface of the workpiece is moved. In this case, a workpiece can be arranged stationary. It exists but also the possibility alone or in addition to that workpiece to move, being frequent a uniaxial translational workpiece movement is preferred.

Bei den gewünschten hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten müssen auch hohe Beschleunigungen bei einer solchen Relativbewegung realisiert werden, wenn beim gewünschten Schneidvorgang Änderungen der jeweiligen Schneidrichtung gefordert sind.at the wished High processing speeds also require high accelerations be realized in such a relative movement, if the desired Cutting process changes the respective cutting direction are required.

So ist es bisher üblich bei einer Richtungsänderung im Bereich von 90° eine zumindest bis in die Nähe von 0 gehende Geschwindigkeit der Laserstrahlbewegung durch entsprechendes Abbremsen einzuhalten und nachfolgend die Bewegung in die jeweils geänderte Schneidrichtung wieder durch hohe Beschleunigungswerte bis hin zu einer maximal erreichbaren Schneidgeschwindigkeit zu erhöhen, worauf hin sie bei einer nachfolgend wieder erforderlichen Richtungsänderung abgebremst und dann wieder beschleunigt werden muss.So it is usual so far at a change of direction in the range of 90 ° one at least up close from 0 going speed of the laser beam movement by corresponding Deceleration to comply and subsequently the movement in each case modified Cutting direction again by high acceleration values up to a maximum achievable cutting speed to increase what towards a subsequent change of direction again slowed down and then accelerated again.

Dabei kommt es zu Zeitverlusten, die die jeweils erforderliche Bearbeitungszeit erhöhen.there There is loss of time, the required processing time increase.

Außerdem werden die Antriebselemente, die für die zweiachsige Bewegung eingesetzt werden in Folge der durch die hohen Beschleunigungen wirkenden Kräfte erheblich belastet, so dass sie entsprechend gestaltet und dimensioniert sein müssen, um die erforderlichen Festigkeiten zu erreichen. Außerdem ist mit einem erhöhten Verschleiß der jeweiligen Antriebselemente zu rechnen, so dass sie eine begrenzte Lebensdauer erreichen.In addition, will the drive elements used for the biaxial movement will be deployed in a row by the heavily loaded forces, so that they must be designed and dimensioned accordingly to achieve the required strength. Moreover, with an increased wear of the respective Drive elements to count, so that they have a limited life to reach.

So sind in EP 1 475 182 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laserbearbeitung mit einem eine verstellbare Umlenkeinheit umfassenden Laserkopf beschrieben. Durch eine Düse wird ein Laserstrahl und Druckgas auf die zu bearbeitende Oberfläche gelenkt, um hohe Vorschubgeschwindigkeiten zu erreichen.So are in EP 1 475 182 a device and a method for laser processing with a laser head comprising an adjustable deflection described. Through a nozzle, a laser beam and compressed gas is directed to the surface to be processed in order to achieve high feed rates.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit vorzuschlagen, um die erforderlichen Bearbeitungszeiten beim Laserschneiden zu verkürzen und/oder die Ansprüche an Antriebe für eine Bewegung eines Laserstrahles relativ in Bezug zum Werkstück einfacher und kostengünstiger gestalten und betreiben zu können.It It is therefore an object of the invention to propose a possibility to shorten the required processing times during laser cutting and / or the requirements on drives for Moving a laser beam relatively easier relative to the workpiece and cheaper to design and operate.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this Task with a device having the features of claim 1, solved. Advantageous embodiments and developments of the invention can having the features indicated in the subordinate claims be achieved.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei mit wesentlichen Teilen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ausgebildet.A inventive device is doing essential parts, as in the prior art known, trained.

So kann der Laserstrahl mittels eines an sich bekannten Laserbearbeitungskopfes entsprechend zweidimensional in Bezug zu einer Werkstückebene oder Oberfläche bewegt werden, wobei der Laserstrahl eine vorgegebene Werkstückkontur abfährt, und das entsprechende Werkstück durch einen Schneidvorgang ausschneidet. Im Laserbearbeitungskopf können laserstrahlformende und auch laserstrahlumlenkende Elemente aufgenommen sein, wobei mit laserstrahlformenden Elementen beispielsweise die jeweilige Brennweite beeinflussbar ist.So can the laser beam by means of a known laser processing head corresponding two-dimensionally in relation to a workpiece plane or surface be moved, wherein the laser beam a predetermined workpiece contour leaves, and the corresponding workpiece cut out by a cutting process. In the laser processing head can laser beam shaping and laser beam deflecting elements added be, with laser beam-forming elements, for example, the respective focal length can be influenced.

Der Laserstrahl wird außerdem durch eine Düse mit Düsenöffnung auf das jeweilige Werkstück gerichtet, so dass mit der entsprechenden Laserenergie Werkstoff aufgeschmolzen wird. Durch die Düse ist zusätzlich ein Schneidgasstrom auf die Werkstückoberfläche gerichtet, mit dem der flüssige Werkstoff aus der Schneidfuge ausgetrieben werden kann.Of the Laser beam will as well through a nozzle with nozzle opening on directed the respective workpiece, so that melted with the appropriate laser energy material becomes. Through the nozzle is an additional one Cutting gas stream directed to the workpiece surface, with the liquid material can be driven out of the cutting joint.

Der Laserstrahl wird außerdem mit mindestens einem Umlenkelement um mindestens eine, bevorzugt um zwei Achsen verschwenkt, so dass durch die Verschwenkbewegung eine zusätzliche Auslenkung des Brennfleckes am Werkstück, die der eingangserläuterten Relativbewegung überlagert werden kann, erreichbar ist. Eine solche zusätzliche Auslenkung durch eine Verschwenkung des Laserstrahles sollte bevorzugt immer in Bereichen vorgenommen werden, in denen größere und ggf. auch unkontinuierliche Richtungsänderungen der Schneidbewegung erforderlich sind.Of the Laser beam will as well with at least one deflecting element at least one, preferably pivoted about two axes, so that by the pivoting movement an additional Deflection of the focal spot on the workpiece, the input explained Superimposed relative movement can be reached. Such an additional deflection by a Pivoting the laser beam should always be preferred in areas be made in which larger and possibly also discontinuous changes in direction of the cutting movement required are.

Durch eine solche Verschwenkung kann eine voreilende Richtungsänderung des Brennfleckes auf der Werkstückoberfläche erreicht werden, die eine Reduzierung der Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahles zumindest in die Nähe von 0 nicht mehr erforderlich macht und außerdem bei Richtungsänderungen größere Radien abgefahren werden können, so das die zweidimensionale Bewegung des Laserstrahles relativ zum Werkstück nicht mehr mit der jeweiligen auszuschneidenden Werkstückkontur übereinstimmen muss. Dadurch lassen sich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie eine geringere mechanische Beanspruchung von Antriebselementen in Folge der verringert wirkenden Beschleunigen und dementsprechenden Kräfte erreichen.By Such pivoting can be a leading change in direction reaches the focal spot on the workpiece surface which are reducing the movement speed of the laser beam at least in the vicinity 0 is no longer required and also when changing direction larger radii can be traveled so that the two-dimensional movement of the laser beam relative to workpiece no longer coincide with the respective workpiece contour to be cut out got to. This can be higher Machining speeds and lower mechanical stress of drive elements due to the reduced-acting acceleration and corresponding forces to reach.

An der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei eine Düse mit Düsenöffnung vorhanden, die so gestaltet und dimensioniert sind, dass eine Verschwenkung eines Laserstrahls um mindestens 10° in Bezug zu einer senkrecht zur Werkstückebene ausgerichteten Achse auf der Werkstückoberfläche und/oder eine zusätzliche Auslenkung des Laserstrahls durch die Verschwenkung um mindestens 3 mm am Werkstück erreichbar ist.At the device according to the invention is a nozzle with nozzle opening available, which are designed and dimensioned to pivot a laser beam at least 10 ° in relation to a perpendicular aligned to the workpiece level Axis on the workpiece surface and / or an additional Deflection of the laser beam by pivoting by at least 3 mm on the workpiece is reachable.

Dementsprechend sollte die Düse in ihrem Inneren einen entsprechend großen Hohlraum aufweisen und auch die Düsenöffnung in mindestens einer Achse eine entsprechende große Ausdehnung mit entsprechend langem freien Querschnitt aufweisen, so dass gewährleistet ist, dass der durch Verschwenkung zusätzlich ausgelenkte Laserstrahl ungehindert das Werkstück um Schneiden erreichen kann.Accordingly should the nozzle have in their interior a correspondingly large cavity and also the nozzle opening in at least one axis correspondingly large extent with accordingly have long free cross-section, so that it is guaranteed by the Additional pivoting deflected laser beam can freely reach the workpiece by cutting.

Eine Düsenöffnung einer Düse kann hier zu mindestens einer Achsrichtung einen freien Querschnitt aufweisen, durch den ein verschwenkter Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden kann, der mindestens fünffach größer, als der Durchmesser des Querschnitts des Laserstrahls im Bereich der Düsenöffnung ist.A Nozzle opening one Nozzle can have a free cross-section here for at least one axial direction, directed by the a swiveled laser beam on the workpiece can be at least five times bigger, than the diameter of the cross section of the laser beam in the Nozzle opening is.

Die Düsenöffnung einer an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbaren Düse kann unterschiedlichste geometrische Gestalten aufweisen. So ist sie als Längsschlitz, Kreuzschlitz in Ellipsenform oder ausgebildet.The Nozzle opening one on a device according to the invention usable nozzle can have a wide variety of geometric shapes. So is as a longitudinal slot, Phillips in elliptical shape or formed.

Es ist vorteilhaft, die Düse um eine senkrecht zur Werkstückebene ausgerichtete Achse drehbar anzuordnen, so dass eine gezielte Anpassung der Ausrichtung einer solchen Düsenöffnung bei einer erforderlichen Veränderung der jeweiligen Schneidrichtung durch Drehung der Düse erreichbar ist. So kann in kritischen Bereichen, bei denen eine erhebliche Veränderung der Schneidrichtung, beispielsweise im Be reich um 90° eine Drehung der Düse vorgenommen werden, mit der gewährleistet ist, dass die Düsenöffnung so ausgerichtet ist, dass eine Verschwenkung des Laserstrahls in einer Achse zumindest in der Nähe von 90° in Bezug zur jeweiligen Schneidbewegungsrichtung erreichbar ist.It is beneficial to the nozzle one perpendicular to the workpiece plane rotatably arranged aligned axis, so that a targeted adjustment the orientation of such a nozzle opening at a necessary change the respective cutting direction can be reached by rotation of the nozzle is. So can in critical areas where a significant change the cutting direction, for example in Be rich by 90 ° rotation the nozzle be made with the guaranteed is that the nozzle opening so is aligned, that a pivoting of the laser beam in one Axle at least in the vicinity from 90 ° in Reference to the respective cutting movement direction is reached.

Die Elemente für die Einleitung der Relativbewegung, der Verschwenkung des Laserstrahles und ggf. auch ein zusätzlicher Drehantrieb für die bereits angesprochene Drehung der Düse mit entsprechender Ausrichtung der Düsenöffnung können über eine elektronische Steuerung beeinflusst werden, die mit dem Schneidvorgang für das jeweilige Werkstück mit den jeweils auszuschneidenden Konturprogramm gesteuert realisieren kann.The Elements for the initiation of the relative movement, the pivoting of the laser beam and possibly also an additional one Rotary drive for the already mentioned rotation of the nozzle with appropriate orientation the nozzle opening can via a Electronic control can be influenced with the cutting process for the respective workpiece with realize controlled in each case contour program can.

Vorteilhaft kann das Innere der Düse sich in Richtung auf die Düsenöffnung konisch verjüngend ausgebildet sein.Advantageous can the inside of the nozzle tapering in the direction of the nozzle opening formed rejuvenating be.

Zusätzlich kann auch ein zweiachsiger Linearantrieb für die Düse vorgesehen werden, um höhere Schneidgeschwindigkeiten und Beschleunigungen bei gleichzeitig hoher Fertigungsgenauigkeit zu ermöglichen.In addition, can Also, a biaxial linear actuator for the nozzle can be provided for higher cutting speeds and accelerations while maintaining high manufacturing accuracy to enable.

Die bereits angesprochenen Vorteile, nämlich der Verkürzung der Bearbeitungszeit und den verringerten Ansprüchen an die Bewegungsantriebe kompensieren den durch die Modifizierung von erfindungsgemäß einzusetzenden Düsen erhöhten Schneidgasvolumenstrom weitestgehend.The already mentioned advantages, namely the shortening of Compensate processing time and the reduced demands on the motion drives the cutting gas volume flow increased by the modification of nozzles to be used according to the invention much as possible.

Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.following should the device of the invention based on embodiments be explained.

Dabei zeigt:there shows:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden. 1 a schematic representation of an apparatus for laser beam cutting.

In 1 ist eine Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden als schematischer Aufbau gezeigt. Dabei wird eine Düse 7 mit einem Düsenöffnungsdurchmesser von 4 mm eingesetzt. Dadurch ist es möglich eine Verschwenkung des Laserstrahls 2 senkrecht zur Werkstückebene um mindestens 3 mm während der Bearbeitung des Werkstückes 10 vorzunehmen, was insbesondere bei Richtungsänderungen vorteilhaft ist.In 1 a device for laser beam cutting is shown as a schematic structure. This is a nozzle 7 used with a nozzle opening diameter of 4 mm. This makes it possible to pivot the laser beam 2 perpendicular to the workpiece plane by at least 3 mm during machining of the workpiece 10 make, which is particularly advantageous for changes in direction.

Die Düse 7 ist bei diesem Beispiel in ihrem Inneren Konisch ausgebildet. Sie verjüngt sich dabei in Richtung auf die Düsenöffnung um 30°.The nozzle 7 is conical in its interior in this example. It tapers in the direction of the nozzle opening by 30 °.

Mit der Erfindung können Schneidgeschwindigkeiten im Bereich von 30 m/min ohne weiteres erreicht werden, ohne das eine wesentliche Beeinträchtigung der gewünschten zu schneidenden Konturen auftritt.With the invention, cutting speeds in the range of 30 m / min can be easily achieved without a significant impairment of the desired Kon to be cut doors occurs.

Bei der Vorrichtung wird der Laserstrahl 2 von einer Laserstrahlquelle 1 emittiert und trifft auf einen ersten Umlenkspiegel 3 auf und wird von dort auf einen ersten Scannerspiegel 4 für eine Auslenkung in y-Achsrichtung und von dort auf einen zweiten Scannerspiegel 5 für eine Auslenkung in x-Achsrichtung reflektiert.In the device, the laser beam 2 from a laser beam source 1 emitted and meets a first deflection mirror 3 and from there on a first scanner mirror 4 for a deflection in the y-axis direction and from there to a second scanner mirror 5 reflected for a deflection in the x-axis direction.

Zumindest die Scannerspiegel 4 und 5 sind über einen Scannerverstärker 13 mit einem Computer 12 und einer Maschinensteuerung 11 verbunden.At least the scanner levels 4 and 5 are via a scanner amplifier 13 with a computer 12 and a machine control 11 connected.

Die Auslenkung des Laserstrahles 2 kann unter Ausnutzung der erfindungsgemäß gestalteten Düse 7 so erfolgen, wie dies im allgemeinen Teil der Beschreibung erklärt worden ist, so dass die Schneidgeschwindigkeit auch bei Richtungsänderungen beim Ausschneiden vorgegebener Konturen 8 oder 9, wenn überhaupt nur geringfügig reduziert werden muss und die wirkenden Beschleunigungen dadurch reduziert sind.The deflection of the laser beam 2 can by taking advantage of the inventively designed nozzle 7 Thus, as has been explained in the general part of the description, so that the cutting speed even when changes in direction when cutting out predetermined contours 8th or 9 , if at all only slightly reduced and the acting accelerations are reduced.

Claims (6)

Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden, bei der ein Laserstrahl zweidimensional relativ in Bezug zu einer Oberfläche eines Werkstückes (10) bewegbar ist und gemeinsam mit einem Schneidgas durch eine Düsenöffnung einer Düse (7) auf das Werkstück (10) gerichtet ist; dabei der Laserstrahl (2) mittels mindestens eines Umlenkelementes (3, 4, 5) um mindestens eine Achse verschwenkbar ist und außerdem die um eine senkrecht zur Werkstückebene ausgerichtete Achse drehbare Düse (7) mit als Längsschlitz, Kreuzschlitz oder ellipsenförmig ausgebildeter Düsenöffnung so gestaltet und dimensioniert ist, dass eine Verschwenkung des Laserstrahls (2) um mindestens 10° in Bezug zu einer senkrecht zur Werkstückebene ausgerichteten Achse auf der Werkstückoberfläche und/oder eine zusätzliche Auslenkung des Laserstrahls durch Verschwenkung um mindestens 3 mm am Werkstück erreichbar ist.Apparatus for laser beam cutting, in which a laser beam is two-dimensionally relative to a surface of a workpiece ( 10 ) is movable and together with a cutting gas through a nozzle opening of a nozzle ( 7 ) on the workpiece ( 10 ) is directed; while the laser beam ( 2 ) by means of at least one deflecting element ( 3 . 4 . 5 ) is pivotable about at least one axis and also rotatable about an axis aligned perpendicular to the workpiece plane axis nozzle ( 7 ) designed and dimensioned as a longitudinal slot, cross slot or elliptical nozzle opening so that a pivoting of the laser beam ( 2 ) can be achieved by at least 10 ° with respect to an axis aligned perpendicular to the workpiece plane on the workpiece surface and / or an additional deflection of the laser beam by pivoting at least 3 mm on the workpiece. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung in mindestens einer Achsrichtung einen freien Querschnitt aufweist, der mindestens fünffach größer, als der Durchmesser des Querschnitts des Laserstrahls (2) im Bereich der Düsenöffnung ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the nozzle opening in at least one axial direction has a free cross section which is at least five times larger than the diameter of the cross section of the laser beam ( 2 ) is in the region of the nozzle opening. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) um zwei Achsen verschwenkbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam ( 2 ) is pivotable about two axes. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung für die Relativbewegung von Laserstrahl (2) und Werkstück (10), das/die Umlenkelement(e) (3, 4, 5) und/oder ein Drehantrieb für die Düse (7) an eine elektronische Steuerung angeschlossen sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a device for the relative movement of laser beam ( 2 ) and workpiece ( 10 ), the deflecting element (s) ( 3 . 4 . 5 ) and / or a rotary drive for the nozzle ( 7 ) are connected to an electronic control. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Umlenkelement(e) (3, 4, 5) um mindestens eine Achse verschwenkbare reflektierende Elemente sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection element or elements (e) ( 3 . 4 . 5 ) are pivotable about at least one axis reflective elements. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere der Düse (7) sich in Richtung auf die Düsenöffnung konisch verjüngend ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the interior of the nozzle ( 7 ) is conically tapered in the direction of the nozzle opening.